JP6122669B2 - 高温機械用部品の余寿命評価方法 - Google Patents
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Description
また、使用中の高温機械用部品の寿命を認識できないことは、高温機械用部品がいつ破損するか分からない状態で高温機械を稼動させるため、安定して高温機械を稼働させる観点から好ましくない。
したがって、使用中の高温機械用部品の余寿命(残りの寿命)を認識することは、高温機械を安定して稼働させる観点から非常に重要である。
具体的には、特許文献1には、非破壊的にレプリカ採取し、γ′相を画像処理装置により効率的にまた高精度に評価し、実機ガスタービン動翼(高温機械用部品)の固有、かつ長時間の加熱劣化を考慮した材料特性を算出することで、該材料特性によりクリープ損傷、及び低サイクル疲労損傷を定量的に診断が可能であり、また今後の運用形態を考慮した定量的な余寿命診断が可能であることが開示されている。
つまり、特許文献1では、ガスタービン動翼の余寿命の診断を簡便に行うことができないという問題があった。
X=Ta×{(1−(T 1 /T 2 ))/(T 1 /T 2 )}・・・(1)
つまり、本発明の一態様に係る高温機械用部品の余寿命評価方法によれば、簡便な方法を用いて、算出される第2の高温機械用部品の余寿命Xの信頼性を向上させることができる。
つまり、第1の試験片をクリープ試験した際の定常クリープの傾き(第1のクリープ速度)と、第2の試験片をクリープ試験した際の定常クリープの傾き(第2のクリープ速度)と、は等しい。
これにより、算出された第2の高温機械用部品の余寿命の信頼性をさらに向上させることができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る高温機械用部品(タービン動翼)の余寿命評価方法が適用可能な高温機械用部品を有する高温機械を備えたガスタービン装置の概略構成を示す断面図である。図1では、高温機械の一例としてガスタービン15を図示する。
圧縮機11は、回転軸12の一部を収容している。空気導入部11Aは、圧縮機11内に空気を導入するための導入口である。接続部11Bは、燃焼器14と接続されている。
圧縮機11は、接続部11Bを介して、燃焼器14(具体的には、後述する燃焼室14A)に圧縮した空気を供給する。
燃焼器14は、燃焼室14Aと、燃料供給部14Bと、を有する。燃焼室14Aでは、燃焼室14Aの外側に配置された燃料供給部14Bから供給される燃料と、圧縮機11から供給された圧縮された空気と、を混合された後、燃料及び空気よりなる混合ガスが燃焼され、燃焼ガスが生成される。
燃焼ガス導入口17は、燃焼器14と接続されている。これにより、タービン15内には、燃焼ガス導入口17を介して、燃焼ガスが導入される。
図2を参照するに、タービン動翼18は、プラットホーム25と、翼部26と、結合部27と、を有する。翼部26は、プラットホーム25と一体とされており、プラットホーム25の上方に延在している。
結合部27は、プラットホーム25の下端側に設けられている。結合部27は、図示していないロータディスクと嵌合される部分である。
筐体24は、回転軸12の一部を囲むように設けられており、複数のタービン動翼18、及び複数のタービン静翼19を収容している。
図4は、第1の試験片について説明するための図であり、(a)は第1の試験片が切り出された後の第1の高温機械用部品(タービン動翼)の斜視図であり、(b)は図4(a)の領域A1から切り出された第1の試験片の一例を示す図であり、(c)は図4(a)の領域B1から切り出された第1の試験片の他の例を示す図である。
図5は、第2の試験片について説明するための図であり、(a)は第2の試験片が切り出された後の第2の高温機械用部品(タービン動翼)の斜視図であり、(b)は図5(a)の領域A2から切り出された第2の試験片の一例を示す図であり、(c)は図5(a)の領域B2から切り出された第2の試験片の他の例を示す図である。
なお、タービン動翼18−1,18−2は、図1に示すタービン動翼18と同様な構成とされている。
なお、図4に示すように、板状とされた第1の試験片35−1に替えて、丸棒形状とされ、かつつばを有する第1の試験片36−1を用いてもよい。
以下、一例として、複数の第1の試験片35−1を用いた場合を例に挙げて説明する。
具体的には、引張荷重試験機(図示せず)により、第1の試験片35−1の両端を固定し、第1の試験片35−1を所定の荷重で引っ張り、自動伸び計(図示せず)を用いて測定を行うことを複数の第1の試験片35−1に対して行うことで、複数の第1のクリープ曲線を取得する。
ここで、図6を参照して、第1のクリープ曲線Cについて説明する。第1のクリープ曲線Cは、第1の試験片35−1に一定の大きさの引張荷重を印加した際の時間とひずみとの関係を示す曲線である。
第1のクリープ曲線Cは、遷移クリープD1と呼ばれる段階(区間)と、定常クリープD2と呼ばれる段階(区間)と、加速クリープD3と呼ばれる段階(区間)と、を有する。
遷移クリープD1は、負荷の瞬間に弾性ひずみと時間に依存しない塑性ひずみの和からなる瞬間ひずみを生じ、その後、加工硬化が顕著になり、ひずみ速度が時間と共に減少する区間である。
加速クリープD3では、クリープ速度(ひずみ速度)が加速し、最終的に破断に至る。なお、図6に示すEは、第1の試験片35が破断した時点を示している。
また、第1のクリープ速度として、定常クリープD2の区間の速度を用いる場合、上記所定の現象とは、加工硬化と組織回復が釣り合い、クリープ速度(ひずみ速度)が一定となる現象のことをいう。
STEP4では、具体的には、図7に示すように、横軸を第1のクリープ速度とし、縦軸を第1のクリープ破断時間とし、STEP3で取得した複数の第1のクリープ速度、及び複数の第1のクリープ破断時間を両対数グラフ上にプロットし、その後、最小二乗法により近似線を作成することで、マスターカーブF(合成曲線)を形成する。
第2の試験片35−2の切り出しは、STEP1において説明した第1の試験片35−1を切り出すときと方法と同様な手法を用いることができる。
以下、第2の試験片として、第2の試験片35−2を用いた場合を例に挙げて説明する。
第2のクリープ曲線の所定の現象が発生する区間としては、例えば、タービン動翼18−1,18−2のクリープ速度が等しい区間である定常クリープを用いることができる。
第1のクリープ速度と第1のクリープ破断時間との関係と、第2のクリープ速度と第2のクリープ破断時間との関係は等しいので、図7に示すマスターカーブFは、第2のクリープ速度と第2のクリープ破断時間との関係を示すマスターカーブとして使用することができる。
破断時間T2は、タービン動翼18−2がタービン15で使用されなかった場合(言い換えれば、タービン動翼18−2が未使用の場合)の寿命を示している。
X=Ta×{(1−(T1/T2))/(T1/T2)} ・・・(1)
つまり、本実施の形態に係る高温機械用部品の余寿命評価方法によれば、簡便な方法を用いてタービン動翼18−2の余寿命を算出でき、かつ算出されたタービン動翼18−2の余寿命の信頼性を向上させることができる。
また、図8において、Jはタービン動翼18−2の破損する確立が非常に高い領域、曲線Gはタービン動翼18−2の補修時のコスト、曲線Hはタービン動翼18−2が破損するリスク、Kは費用対効果が最も良い定期点検の周期(以下、「最適点検周期K」という)をそれぞれ示している。
Claims (2)
- 未使用、かつ同一の材料及び同一の製造方法で製造された複数の第1の高温機械用部品から切り出した複数の第1の試験片をクリープ試験することで得られる複数の第1のクリープ曲線に基づき、前記第1のクリープ曲線の所定の現象が発生する区間における複数の第1のクリープ速度、及び複数の第1のクリープ破断時間T 1 を取得する工程と、
前記複数の第1のクリープ速度、及び前記複数の第1のクリープ破断時間T 1 に基づいて、前記第1のクリープ速度と前記第1のクリープ破断時間T 1 との関係を示すマスターカーブを作成する工程と、
前記第1の高温機械用部品と同じ材料及び同じ製造方法で製造され、かつ前記高温機械に取り付けられて所定時間Ta使用された第2の高温機械用部品から第2の試験片を切り出し、該第2の試験片をクリープ試験することで得られる第2のクリープ曲線に基づいて、前記第2のクリープ曲線の前記所定の現象が発生する区間における第2のクリープ速度及び第2のクリープ破断時間T 2 を取得する工程と、
前記マスターカーブ、前記第2のクリープ速度、前記第2のクリープ破断時間T 2 、及び前記所定時間Taに基づいて、前記第2の高温機械用部品の残りの寿命である余寿命Xを算出する工程と、
を有し、
前記余寿命Xを算出する工程では、下記(1)式に基づいて、余寿命Xを算出することを特徴とする高温機械用部品の余寿命評価方法。
X=Ta×{(1−(T 1 /T 2 ))/(T 1 /T 2 )}・・・(1) - 前記所定の現象が発生する区間は、定常クリープであり、
前記第1のクリープ速度として、前記第1のクリープ曲線の定常クリープにおけるクリープ速度を用い、
前記第2のクリープ速度として、前記第2のクリープ曲線の定常クリープにおけるクリープ速度を用いることを特徴とする請求項1記載の高温機械用部品の余寿命評価方法。
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